感應(yīng)加熱電源的設(shè)計

趙　鵬

摘要:感應(yīng)加熱電源以其加熱效率高、速度快,可控性好及易于實現(xiàn)機械化、自動化等優(yōu)點,已在熔煉、鑄造、彎管、熱鍛、焊接和表面熱處理等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。本文著重闡述以SG3525A作為PWM控制的核心,HCPL-316J作為IGBT的驅(qū)動,用串聯(lián)諧振來設(shè)計感應(yīng)加熱電源。

關(guān)鍵詞: 感應(yīng) SG3525A PWM HCPL-316J IGBT 諧振 驅(qū)動

中圖分類號:D035 文獻標識碼:A 文章編號:1673-8209(2009)5-0278-02

1 感應(yīng)加熱的工作原理

感應(yīng)加熱原理為產(chǎn)生交變的電流,從而產(chǎn)生交變的磁場,在利用交變磁場來產(chǎn)生渦流達到加熱的效果。感應(yīng)加熱與其它的加熱方式,如燃氣加熱,電阻爐加熱等不同,它把電能直接送工件內(nèi)部變成熱能,將工件加熱。而其他的加熱方式是先加熱工件表面,然后把熱再傳導(dǎo)加熱內(nèi)部。感應(yīng)電勢和發(fā)熱功率不僅與頻率和磁場強弱有關(guān),而且與工件的截面大小、截面形狀等有關(guān),還與工件本身的導(dǎo)電、導(dǎo)磁特性等有關(guān)。

在感應(yīng)加熱設(shè)備中存在著三個效應(yīng)——集膚效應(yīng)、近鄰效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。

集膚效應(yīng):當交變電流通過導(dǎo)體時,沿導(dǎo)體截面上的電流分布式部均勻的,最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表面層,這種電流集聚的現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。

近鄰效應(yīng)——當兩根通有交流電的導(dǎo)體靠得很近時,在互相影響下,兩導(dǎo)體中的電流要重新分布。當兩根導(dǎo)體流的電流是反方向時,最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體內(nèi)側(cè);當兩根導(dǎo)體流的電流是同方向時,最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體外側(cè),這種現(xiàn)象稱為近鄰效應(yīng)。

圓環(huán)效應(yīng):若將交流電通過圓環(huán)形線圈時,最大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè),這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應(yīng)。

感應(yīng)加熱電源就是綜合利用這三種效應(yīng)的設(shè)備。在感應(yīng)線圈中置以金屬工件,感應(yīng)線圈兩端加上交流電壓,產(chǎn)生交流電流I1,在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流I2。此兩電流方向相反,情況與兩根平行母線流過方向相反的電流相似。當電流I1和感應(yīng)電流I2相互靠攏時,線圈和工件表現(xiàn)出鄰近效應(yīng),結(jié)果,電流I1集聚在線圈的內(nèi)側(cè)表面,電流I2聚集在工件的外表面。這時線圈本身表現(xiàn)為圓環(huán)效應(yīng),而工件本身表現(xiàn)為集膚效應(yīng)。

交變磁場在導(dǎo)體中感應(yīng)出的電流亦稱為渦流。工件中產(chǎn)生的渦流由于集膚效應(yīng),沿橫截面由表面至中心按指數(shù)規(guī)律衰減,工程上規(guī)定,當渦流強度從表面向內(nèi)層降低到其數(shù)值等于最大渦流強度的1/e(即36.8%),該處到表面的距離△稱為電流透入深度。由于渦流所產(chǎn)生的熱量與渦流的平方成正比,因此由表面至芯部熱量下降速度要比渦流下降速度快的多,可以認為熱量(85～90%)集中在厚度為△的薄層中。當材料電阻率、相對磁導(dǎo)率給定后,透入深度△僅與頻率f平方根成反比,此工件的加熱厚度可以方便的通過調(diào)節(jié)頻率來加以控制。頻率越高,工件的加熱厚度就越薄。這種性質(zhì)在工業(yè)金屬熱處理方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

2 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 感應(yīng)加熱電源主電路圖

如圖1所示,它由整流器、濾波器和逆變器組成。整流器采用不可控三相全橋式整流電路。Cd1、Ld和Cd(C1、C2)構(gòu)成Ⅱ型濾波器。兩個電解電容C1,C2串聯(lián)以減小單個電容的承受的電壓,R2 , R3起均壓作用。R1為限流電阻,當系統(tǒng)開始上電時,由于電容兩端電壓為零,故剛開始對電容充電時,電流將很大,加上限流電阻R1后則就電流不會很大了。當電容兩端電壓達到一定數(shù)值時,交流接觸器K1閉合,將限流電阻短接。系統(tǒng)即可正常工作。

逆變器采用單相變逆變橋,經(jīng)變壓器和串聯(lián)諧振電路相接。利用輪流驅(qū)動單相對角的兩組IGBT工作,把恒定的直流電壓變成10 Hz～10 kHz方波電壓輸出給負載。

2.2 控制電路的設(shè)計

控制電路的核心為PWM控制器SG3525A,用SG3525A發(fā)出的PWM脈沖,來控制逆變器VT1、 VT4和VT2、VT3輪流導(dǎo)通,從而控制逆變電壓和逆變頻率。SG3525A的6腳連接電阻R,改變R的大小,這樣就可調(diào)控SG3525輸出的PWM脈沖頻率。同時通過調(diào)節(jié)SG3525的9腳電壓來改變輸出脈寬。反饋電路中,當電流互感器從負載端感應(yīng)出交流電流,通過橋式整流器把他轉(zhuǎn)化為直流電,在滑動變阻器PR2上產(chǎn)生電壓。由滑動端輸出的信號接到SG3525A的10腳上,當腳10電壓大于0. 7V時,芯片將進行限流操作,當腳10電壓超過1.4V時,將使PWM鎖存器關(guān)斷,直至下一個時鐘周期才能夠恢復(fù)。

2.3 正向輸入IGBT驅(qū)動電路

HCPL316J 是一種簡單的智能型驅(qū)動器芯片。用戶可根據(jù)需要靈活設(shè)置高電平輸入、高電平輸出和低電平輸入、高電平輸出的輸入方式,自動復(fù)位或通過控制復(fù)位,故障自動關(guān)斷,光耦隔離,CMOS/TTL 電平兼容,集成的VCE退飽和電壓檢測,有回滯的低電壓閉鎖(UVLO),軟關(guān)斷IGBT 技術(shù)及隔離的故障反饋信號。IGBT柵極最大驅(qū)動電流可達2.5A ,最大驅(qū)動電流IA=150A,VCE=1200V,最大開關(guān)速度為500 ns ,較寬的VCC工作電壓范圍為15～30V。圖2.3為所設(shè)計的正向輸入IGBT驅(qū)動電路。Vin+和Vin-是正向及反向輸入信號端,經(jīng)過內(nèi)部光耦隔離,放大后在VOUT端輸出與VIN+波形相同的驅(qū)動信號。IGBT正向?qū)〞r的柵源電壓為VCC2;反向截止時的為VEE。輸出端的0.1μF的電容(C3,C4,C5)提供開關(guān)變換瞬態(tài)時的工作電流;100pF的電容(CBLANK)反映了當IGBT發(fā)生過流故障時,HCPL316J從檢測到故障到開始工作的反應(yīng)時間。為了提高故障信號的抗干擾能力,在引腳接一個上拉電阻R1和C2。為了防止門極開路或損壞時主回路加上電壓而損壞IGBT,在柵射極之間加上一個下拉電阻R4,以吸收大約650μA的靜態(tài)電流。R2的作用是限制芯片在DDESAT腳上的外抽電流,Cblank它與DDESAT,構(gòu)成IGBT集電極短路保護電路。

3 結(jié)語

隨著功率器件的發(fā)展,感應(yīng)加熱電源的頻率也逐步提高,經(jīng)歷了中頻、超音頻、高頻幾個階段。本電源是一種中頻感應(yīng)加熱電源。該電源具有輸出電壓低、圈匝數(shù)少、不需要中頻變壓器降壓、結(jié)構(gòu)簡單、效率高?？蓱?yīng)用在如淬火、焊管、焊接等工藝要求頻率和功率較高的場合。

參考文獻

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